Comment les chercheurs transforment les bactéries en mini-usines de cellulose

Les bactéries produisent des matériaux intéressants pour l'homme, comme la cellulose, la soie ou les minéraux. L'avantage de la production bactérienne est qu'elle est durable, se déroule à température ambiante et dans l'eau. L'inconvénient est que les bactéries prennent beaucoup de temps et ne produisent que de petites quantités - trop peu pour être utilisables à l'échelle industrielle.C'est pourquoi la recherche tente depuis longtemps de transformer les micro-organismes en mini-usines vivantes qui produisent plus rapidement de grandes quantités d'un produit souhaité. Pour cela, il faut soit intervenir de manière ciblée sur le patrimoine génétique, soit cultiver les souches bactériennes les plus appropriées.

Le groupe de travail d'André Studart, professeur de matériaux complexes à l'ETH Zurich, présente à présent une nouvelle approche en prenant pour exemple la bactérie productrice de cellulose au nom compliqué de Komagataeibacter sucrofermentans. En appliquant les principes de l'évolution par sélection naturelle à leur méthode, les scientifiques peuvent créer en très peu de temps des dizaines de milliers de variantes de la bactérie et sélectionner de manière ciblée celles qui produisent le plus de cellulose.

K. sucrofermentans produit naturellement de la cellulose très pure, un matériau très demandé notamment pour des applications biomédicales, la fabrication de matériaux d'emballage ou de textiles. Cette cellulose favorise par exemple la cicatrisation des plaies et prévient les infections. "Mais les bactéries se développent lentement et ne produisent que des quantités limitées de ce matériau. Nous devions donc trouver un moyen de stimuler la production", explique Julie Laurent, doctorante dans le groupe de Stuart et première auteure d'une étude qui vient d'être publiée dans la revue PNAS.

L'approche qu'elle a développée y est parvenue : Quelques variantes de K. sucrofermentans produisent jusqu'à soixante-dix pour cent de cellulose de plus que la forme initiale.

Accélérer l'évolution avec la lumière UV

Dans un premier temps, la chercheuse en matériaux a créé de nouvelles variantes à partir de la bactérie d'origine, dite sauvage. Pour ce faire, elle a irradié les cellules bactériennes avec des rayons UV-C. La lumière UV endommage l'ADN bactérien à des endroits aléatoires. Ensuite, Julie Laurent a laissé les bactéries se reposer dans la chambre noire, ce qui les empêche de réparer les dommages à l'ADN. Il en résulte des mutations.

Elle a ensuite encapsulé chaque cellule bactérienne dans une minuscule goutte de solution nutritive à l'aide d'un appareillage miniature et a laissé les cellules produire de la cellulose pendant un certain temps. Après la période d'incubation, elle a examiné, à l'aide de la microscopie à fluorescence, quelles cellules produisaient beaucoup de cellulose et lesquelles n'en produisaient pas ou très peu.

Gr?ce à une installation de tri développée par le chimiste de l'ETH Andrew DeMello, l'équipe de Stuart a automatiquement trié les cellules qui étaient devenues les meilleures productrices et qui produisaient particulièrement beaucoup de cellulose. L'installation de tri fonctionne de manière entièrement automatique et très rapide. En seulement dix minutes, elle peut balayer un demi-million de gouttelettes avec un laser et trier celles qui contiennent le plus de cellulose. Au final, il n'en reste que quatre, qui produisent 50 à 70 pour cent de cellulose de plus que le type sauvage.

Les cellules perfectionnées de K. sucrofermentans sont en mesure de produire des tapis de cellulose dans des récipients de réaction à la limite entre l'air et l'eau. Une natte de cellulose dans un tel récipient pèse naturellement entre deux et trois milligrammes et a une épaisseur de 1,5 millimètre. Les nattes issues des variantes plus perfectionnées sont presque deux fois plus lourdes et plus épaisses.

Julie Laurent et ses collègues ont également analysé génétiquement ces quatre variantes afin de déterminer quels gènes avaient été modifiés par la lumière UV-C et comment ces modifications avaient conduit à la surproduction de cellulose. Les quatre variantes présentaient la même mutation dans le même gène. Ce gène est le mode de construction d'une enzyme qui décompose les protéines, une protéase. Cependant, à la surprise de la chercheuse en matériaux, les gènes qui contr?lent directement la production de cellulose n'étaient pas modifiés. "Nous supposons que cette protéase dégrade les protéines qui régulent la production de cellulose. Sans cette régulation, la cellule ne peut plus arrêter le processus", explique la chercheuse.

Inscriptions de brevets déposées

La nouvelle plateforme est polyvalente et peut également être transférée à des bactéries produisant d'autres matériaux. A l'origine, de telles plateformes ont été développées pour créer des bactéries qui produisent des protéines ou des enzymes spécifiques. "Nous sommes les premiers à utiliser une telle plateforme pour améliorer la production de matériaux non protéiques", explique le professeur de l'ETH André Studart. "Pour moi, ce travail est une étape importante".

Les chercheurs ont déposé une demande de brevet à la fois pour la plateforme et pour les variantes bactériennes mutées.

Les chercheurs veulent maintenant collaborer avec des entreprises qui produisent déjà de la cellulose bactérienne afin de tester les nouveaux micro-organismes dans des conditions industrielles réelles.